基于PIC16C71的数字水温配制阀的设计

作者：时间：2011-06-10来源：网络收藏

2．1 测温原理和参数选择
在图3中，热敏电阻RT为测温元件，用于测量出水口处的水温。一个固定电阻R16与热敏RT相串联组成分压电路，RT上的压降接到引脚通过电阻R17接AN0输入到PIC16C71的内置的8位A／D转换器，把模拟电压信号转换成数字信号，由程序读取实现测温。测温的关键是要选择合适的测温元件和合理的电路参数。这里选用的是一种负温度系数热敏电阻器(NTC)，它采用玻壳封装、体积小、价格低，安装方便。NTC测温热敏电阻的主要优点是电阻温度系数大、灵敏度高、响应速度快，能进行精密温度测量，主要缺点是热电特性非线性现象严重。如使用C408503(25℃时，阻值50 kΩ，B值4 050 K，玻璃封装)NTC热敏电阻，在0～99℃范围内，电阻的灵敏度约为8 500～100 Ω／℃，非线性严重，使用时一般要进行线性补偿。这里通过计算，选择合理的测温电路参数，在有效的测温范围内，没有进行线性补偿，仅使用温度查表的方式就有效地解决了NTC测温电阻的非线性问题。下面讨论测温精度和电路参数的选择问题。
电阻R16与热敏电阻RT串联组成分压电路，对电源电压5 V分压，RT上的压降Vi=5 V·RT／(RT+R16)随温度变化而变化。该电压通过A／D的输入引脚AN0送入PIC16C71内部的A／D转换器，转换为数字信号，由程序读取使用。在RT上并接一个0．1 μF的电容C3实现滤波，用于消除干扰和噪声。在试用中发现，当选用的NTC热敏电阻(如标称值为10 kΩ)和分压电阻(如5．1 kΩ)的阻值较小时，热敏电阻在工作一段时间后易被击穿，而在选用阻值较大的NTC热敏电阻和分压电阻后，问题就较好地解决了。分析原因，应该是NTC热敏电阻中的工作电流和功耗较大造成的热击穿。因此应尽量选用阻值较大的NTC热敏电阻和分压电阻，尽量减小流过热敏电阻的电流。另一方面，考虑到PIC单片机的A／D输入信号引脚的输入漏电流最大为±500 nA，要保证A／D转换结果的正确，就要求损耗在信号源内阻上的电压不能超过10 mV(A／D基准电压为5 V时的1／2个LSB)，这要求信号源内阻最大不要超过20 kΩ。当选用标称为50 kΩ，B25／50为4 050 K的NTC热敏电阻，其在温区(0～99℃)的阻值变化在168．3～3．217 kΩ之间。当选择固定分压电阻为20 kΩ时，A／D输入信号源的等效内阻是热敏电阻和分压电阻并联后的阻值，阻
值范围是17．9～2．77 kΩ，这可以满足A／D转换时，对信号源内阻最大不能超过20 kΩ的要求，对应的输入给A／D的信号电压Vi的范围在4．469～0．693 V之间，覆盖了有效的A／D输入电压值区间(0～5 V)的大部分，经8位A／D转换后对应的数字量在0xE5～0x23之间。在0～97℃温区，当温度变化1℃时，对应输入电压变化量在55．5～19．7 mV之间。均大于1 LSB对应的模拟电压值19．6 mV，因此8位A／D转换后测温的精度达到±1℃是有保证的；在97～99℃间。当温度变化1℃时对应的模拟输入电压变化量在18．8～18．5 mV之间，8位A／D转换测温精度达不到±l℃，但正常测温一般不会高于95℃。并且出水口温度控制在25～50℃也比较低。
以上分析说明不用加入输入信号的调理电路，也能满足测温精度±1℃的要求。A／D模拟输入引脚AN0串接R17用于限流保护，防止过压输入造成芯片损坏或出现硬件死锁的问题，因为它将直接影响到A／D模拟输入信号源的内阻和采样时间，R17的阻值不能太大，阻值选为1k-Ω。RT选用NTC热敏电阻的精度为50 kΩ±0．5％，其B25／50为4 050 K±1％，分压电阻R16选用热稳定性好的金属膜电阻，精度为20kΩ± 0．5％。
2．2 键盘输入和输出显示电路
设计输入电路时利用了PIC16C71的PORTB口具有软件控制弱上拉电路的特点。键盘查询电路由电阻R6、R7、R8，按键S1、S2、S3及电阻R12组成，通过引脚RB6、RB5、RB4查询按键的状态。RB4～RB6脚作为输入端时分别与按键S1、S2和S3相连，S1为温增设置按钮，S2为温降设置按钮，S3为手柄开关关联键。RB6、开关S3和R12组成用水状态查询输入电路，由RB6引脚输入用水状态。设定的用水温度由RB1～RB8通过限流电阻R5～R11后由二位LED数码管输出，RA1和RA2输出控制VQ1和VQ2作为LED数码管的位控。
2．3 直流电机驱动电路
三极管VQ3～VQ6的导通和截止由引脚RA3和RB0的输出电平控制，用于控制直流电机M的电源极性翻转。取样直流电机M的压降值送给PIC-16C71芯片的A／D转换器的另一输入通道，电机两端的电压降由R14、R15分压取样后由RA4引脚输入A／D转换器转换后由程序读取，用于判断电机位置和控制。

3 A／D数据的处理
测试中发现，若把PIC16C71的A／D转换后的温度数据不作处理就直接用于温度控制，会使电机不时出现误动作。即使在测温电路中加入了各种滤波电路，仍不见改善。因此推断该干扰可能来自A／D转换模块内部。考虑到该系统中现场温度的变化较缓慢，适合采用滑动窗口平均法进行数字滤波。在采用数字滤波方法对A／D转换后得到的连续16个温度数据进行平均后，有效消除了对A／D转换后的噪声。

4 结束语
该数字水温配制阀选用低压直流电源供电，以确保安全。出水开关和流量的大小用单手柄控制，用按键预置用水温度并由数码管显示，操作简单，可以在25～50℃之间对出水温度进行设置，分辨率是1℃。如果出水口水温和设定的水温不一致，则LED数码管闪烁显示以提醒注意，同时单片机根据两者之间的高低和差值的大小，产生脉冲控制电机的转速和正反转，通过传动机构带动混水阀，调整冷热水的进水比例。该水阀与家庭热水器配套使用，可自动快速调节出需要的水温，可以防止冷热水刺激，洗浴舒适，节水效果明显。